羅河鐵礦全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)

魏福海 趙華民 戴 昌 王 勇

（1.安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院）

羅河鐵礦采用的充填采礦法，根據(jù)礦體的形狀、傾角、厚度等賦存條件，主要采用垂直深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法、中深孔分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法以及點(diǎn)柱式上向分層充填采礦法。充填工藝根據(jù)羅河鐵礦一期500萬(wàn)t/a原礦生產(chǎn)目標(biāo)，選用2套深錐濃密機(jī)處理選廠尾砂，全尾砂高濃度膠結(jié)充填。

在全尾砂濃密過(guò)程中，通過(guò)添加化學(xué)絮凝劑進(jìn)行液固分離是一項(xiàng)有效的技術(shù)措施。然而，絮凝劑種類繁多，除了無(wú)機(jī)鹽和天然高分子絮凝劑之外，合成高分子絮凝劑又可分為陽(yáng)離子、陰離子和非離子型三類。同時(shí)絮凝劑作用機(jī)理復(fù)雜，絮凝沉降效果受尾砂級(jí)配、砂漿濃度、絮凝劑添加量等多方面的影響，絮凝沉降效果對(duì)料漿處理效率、最終料漿濃度和溢流水澄清度具有重要影響，成為了沉降脫水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，影響絮凝沉降效果的幾個(gè)主要因素為絮凝劑種類、尾礦造漿濃度和絮凝劑單耗［1-8］。

本研究主要通過(guò)全尾砂的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)，具體包括絮凝劑種類優(yōu)選試驗(yàn)、料漿濃度優(yōu)選試驗(yàn)、絮凝劑單耗優(yōu)選試驗(yàn)以及不同停留時(shí)間的動(dòng)態(tài)濃密試驗(yàn)，對(duì)全尾砂絮凝沉降特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)研究。

1 全尾砂、絮凝劑與試驗(yàn)儀器設(shè)備

1.1 全尾砂

試驗(yàn)用全尾砂取自羅河鐵礦選礦廠，經(jīng)晾曬、烘干處理后，測(cè)得尾砂物理性質(zhì)及粒級(jí)組成分別見(jiàn)表1、表2。

從表1 可知，全尾砂松散孔隙率58.56%，密實(shí)孔隙率45.66%。

從表2 可知，全尾砂粒度較細(xì)，-0.074 mm 59.87%、-0.020 mm29.19%。

1.2 絮凝劑

試驗(yàn)用絮凝劑除礦山充填站現(xiàn)用絮凝劑（1#礦山現(xiàn)用絮凝劑）外，其他6 種絮凝劑分別編號(hào)為2#-615S、3#-625S、4#-645S、5#-655S、6#-665V 和7#-6003S。

1.3 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)儀器主要有1 000 mL 量筒（精度1 mL）、攪拌器、燒杯、天平（精度0.01 g）、注射器、自制料漿攪拌器、計(jì)時(shí)器等。

2 試驗(yàn)方案

按照分別確定絮凝劑種類、最佳料漿濃度、最佳絮凝劑單耗、動(dòng)態(tài)絮凝沉降為試驗(yàn)順序，設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）固定全尾砂料漿濃度、絮凝劑濃度和絮凝劑單耗，添加不同種類的絮凝劑，進(jìn)行絮凝劑選擇試驗(yàn)，獲得適合全尾砂沉降的最佳絮凝劑；

（2）固定絮凝劑濃度和單耗，配置不同料漿濃度，確定全尾砂的最佳料漿濃度；

（3）固定絮凝劑濃度和全尾砂料漿濃度，改變絮凝劑添加量，確定適合全尾砂的最佳絮凝劑單耗；

（4）根據(jù)選出的最佳絮凝劑、料漿濃度、絮凝劑單耗，通過(guò)動(dòng)態(tài)濃密來(lái)確定不同停留時(shí)間條件下的全尾砂料漿濃密后的濃度。

最后對(duì)全尾砂絮凝沉降特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3 全尾砂靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)

3.1 不同絮凝劑種類的絮凝沉降試驗(yàn)

分別采用無(wú)絮凝劑、礦山現(xiàn)用絮凝劑、615S、625S、645S、655S、665V、6003S 進(jìn)行絮凝劑優(yōu)選試驗(yàn)：取水499.5 g，加絮凝劑0.5 g，配制成濃度為0.1%的絮凝劑溶液；取200 g全尾砂，加入到貼有坐標(biāo)紙的1 000 mL 量筒中，再加入800 g水，配制成濃度為20%的全尾砂料漿；按絮凝劑單耗20 g/t向量筒中加入4 g絮凝劑溶液；用自制料漿攪拌器使料漿混合均勻；通過(guò)計(jì)時(shí)器記錄不同靜止時(shí)間的沉降高度，結(jié)果見(jiàn)表3、圖1。

根據(jù)表3、圖1可知，無(wú)絮凝劑的對(duì)照組沉降速度明顯慢于其他試驗(yàn)組，說(shuō)明自然沉降效果非常差；添加絮凝劑的各組開(kāi)始階段沉降速度由快到慢的順序依次為645S、625S、礦山現(xiàn)用、6003S、665V、615S、655S。綜合考慮成本和效果因素，后續(xù)試驗(yàn)仍采用礦山現(xiàn)用絮凝劑。

3.2 不同料漿濃度的絮凝沉降試驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，為了減小全尾砂顆粒間的干涉沉降效應(yīng)，在進(jìn)入深錐濃密機(jī)前，料漿都要進(jìn)行稀釋。為了確定全尾砂的最佳料漿濃度，進(jìn)行不同料漿濃度的絮凝沉降試驗(yàn)。

料漿濃度試驗(yàn)固定礦山現(xiàn)用絮凝劑溶液的濃度為0.1%、單耗為20 g/t，加絮凝劑溶液后混勻料漿，通過(guò)計(jì)時(shí)器記錄不同靜止時(shí)間的沉降高度，結(jié)果見(jiàn)表4、圖2。

根據(jù)表4、圖2 可知，料漿濃度增大，沉降速度減小；料漿濃度5%和10%時(shí)的沉降速度非常快，料漿濃度25%和30%時(shí)的沉降速度非常慢。綜合考慮生產(chǎn)實(shí)際，認(rèn)為料漿濃度選擇10%～15%較合適。

3.3 不同絮凝劑單耗的絮凝沉降試驗(yàn)

絮凝劑單耗試驗(yàn)固定料漿濃度15%、絮凝劑溶液濃度0.1%，加絮凝劑溶液后混勻料漿，通過(guò)計(jì)時(shí)器記錄不同靜止時(shí)間的沉降高度，結(jié)果見(jiàn)表5、圖3。

根據(jù)表5、圖3，并結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程觀察可知，絮凝劑單耗增大，沉降速度加快；綜合考慮沉降高度與上清液澄清度因素，絮凝劑單耗5 g/t 和10 g/t 時(shí)的上清液較渾濁，絮凝劑單耗15 g/t 時(shí)的上清液澄清，絮凝劑單耗為20 g/t和30 g/t時(shí)的沉降速度快、且上清液清澈，但經(jīng)濟(jì)成本較高。綜合考慮絮凝沉降效果和礦山經(jīng)濟(jì)效益，建議絮凝劑單耗為15 g/t，對(duì)應(yīng)的靜態(tài)沉降極限（沉降24 h）濃度59.83%（絮凝劑單耗為0、5 g/t、10 g/t、15 g/t、20 g/t、25 g/t、30 g/t 時(shí)的靜態(tài)沉降極限濃度分別為68.18%、63.73%、62.91%、59.83%、58.40%、57.71%、57.03%）。

4 全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)

為了更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，進(jìn)行了全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)。

4.1 動(dòng)態(tài)攪拌裝置

全尾砂動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)主要通過(guò)Brookfield R/S plus 型流變儀實(shí)現(xiàn)，這在謙比希東南礦體動(dòng)態(tài)絮凝沉降實(shí)驗(yàn)中得到了較好的應(yīng)用。將v40-20 型槳式轉(zhuǎn)子以恒定剪切速率1 r/min 來(lái)模擬動(dòng)態(tài)攪拌，該裝置可以對(duì)尾礦漿攪拌過(guò)程中的剪切應(yīng)力、黏度、以及扭矩等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.2 動(dòng)態(tài)濃密濃度確定

采用該裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)攪拌試驗(yàn)，由于v40-20 型槳式轉(zhuǎn)子占有一定體積。因此，在換算時(shí)，需要將v40-20型槳式轉(zhuǎn)子放入錐式量筒。

根據(jù)絮凝劑種類、料漿濃度以及絮凝劑單耗優(yōu)選試驗(yàn)，選用礦山現(xiàn)用絮凝劑，絮凝劑單耗15 g/t、配置濃度0.1%的絮凝劑溶液，用200 g干全尾砂配置濃度為50%的全尾砂料漿。

在錐式量筒中加入200 g 水，再加入3 g 濃度為0.1%的絮凝劑溶液，對(duì)絮凝劑溶液攪拌3 min，然后加入200 g 干尾礦，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。通過(guò)極限泥層高度計(jì)算對(duì)應(yīng)的料漿濃度。

試驗(yàn)4 h 后，泥層高度基本不變，此時(shí)的動(dòng)態(tài)極限濃度69.16%，而量筒靜態(tài)沉降試驗(yàn)添加相同單耗的絮凝劑，沉降48 h 后的極限濃度59.83%。該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)所獲得的料漿平均濃度比量筒靜態(tài)沉降提高了9.33個(gè)百分點(diǎn)。因此，動(dòng)態(tài)沉降獲得的料漿濃度更接近于深錐濃密機(jī)底流濃度，靜態(tài)沉降試驗(yàn)獲得的料漿濃度與立式砂倉(cāng)底流濃度較接近。

5 結(jié)論

（1）無(wú)絮凝劑的對(duì)照組上清液在試驗(yàn)開(kāi)始階段較渾濁，沉降速度明顯慢于其他試驗(yàn)組，說(shuō)明自然沉降效果極不佳；添加絮凝劑的試驗(yàn)組中，上清液開(kāi)始階段均較澄清，開(kāi)始階段沉降速度由快到慢依次為645S、625S、礦山現(xiàn)用、6003S、665V、615S、655S。綜合考慮絮凝成本和效果，礦山現(xiàn)用絮凝劑效果較好，推薦繼續(xù)采用礦山現(xiàn)有絮凝劑。

（2）料漿濃度增大，沉降速度減慢。當(dāng)濃度5%～10%時(shí)，上清液開(kāi)始階段澄清，沉降速度快；當(dāng)濃度15%時(shí)，上清液開(kāi)始階段較澄清，沉降速度逐漸變緩；當(dāng)濃度20%～30%時(shí)，上清液開(kāi)始階段較渾濁，沉降速度較慢。綜合考慮全尾砂的固體處理量、給料濃度和濃密機(jī)自稀釋系統(tǒng)，建議選用料漿濃度10%～15%作為全尾砂稀釋后的濃度。

（3）絮凝劑單耗增大，沉降速度變快。絮凝劑單耗5 g/t 和10 g/t 時(shí)，料漿上清液較渾濁；絮凝劑單耗15 g/t 時(shí)，沉降速度較快，上清液澄清；絮凝劑單耗20～30 g/t時(shí)，沉降速度更快，上清液更加澄清。絮凝劑單耗為0，5，10，15，20，25，30 g/t時(shí)，靜態(tài)沉降極限濃度分別為68.18%、63.73%、62.91%、59.83%、58.40%、57.71%、57.03%。綜合考慮絮凝沉降效果和礦山經(jīng)濟(jì)效益，建議1#絮凝劑單耗為15 g/t，對(duì)應(yīng)的靜態(tài)沉降極限濃度為59.83%。

（4）動(dòng)態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果表明，羅河鐵礦全尾砂動(dòng)態(tài)攪拌4 h 后，泥層高度基本不變，得到的動(dòng)態(tài)極限濃度為69.16%，比靜態(tài)沉降極限濃度提升了9.33個(gè)百分點(diǎn)。